CN101914705B - 一种高强度代铜材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高强度代铜材料的制备方法，包括以下步骤：(1)用电阻炉将石墨坩埚加热，向石墨坩埚中加入选定用量配比铝块与锌块制成锌铝混合熔融液，在熔融液中分别加入选定用量的铜、稀土铈、锆和铋，并缓慢搅拌；(2)用石墨钟罩向坩埚内压入选定用量的镁，然后适量的稀土氧化物与锶盐变质剂覆盖在熔融液表面，待完全熔化后再加入C2Cl6除气剂除气，静置一段时间，扒渣浇铸；(3)将合金熔融液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却获得合金试棒或棒材。本发明制取的高强度代铜材料，经力学性能测试，180℃时抗拉强度为120～176MPa，120℃时抗拉强度为180～334MPa；经实践检验可完全代替铜质材料，用于制备铜制及铜合金结构件。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度代铜材料的制备方法，更为具体的是涉及一种能用于制作铜制及铜合金结构件的高强度、抗蠕变高铝锌基合金的制备方法。
背景技术
高强度代铜材料是在ZA合金的基础上添加一定量的其它有色金属，成本增加不大但综合性能已达到黄铜综合性能指标，用于取代铜制及铜合金结构件。此外，据测试黄铜密度为锌铝合金密度的1.68倍，即同样重量的锌铝合金体积是黄铜体积的1.68倍，可以比黄铜多生产1.68倍的产品，而近年来有色金属的价格逐年攀升，其中：铜45000元/吨、锌14700元/吨、铝14630元/吨，用高强度代铜材料取代铜及铜合金能够进一步节约成本。加之我国铜资源极度匮乏而锌、铝资源相对丰富，高强度代铜材料作为一种新型合金，由于其具有熔炼工艺简单、性能优良、原材料来源广、成本低、无污染等特点，到目前为止，合金代替铜及其铜合金已成功用于多种场合。但作为综合力学性能要求较高的结构件，现有技术制备的高强度代铜材料，在较高温度下其塑性、韧性均存在不足，使之应用受到限制，还不能较好、较广泛地用于作为铜制结构件及铜合金结构件的替代物。
发明内容
本发明的任务在于提供一种高强度代铜材料的制备方法。
其技术解决方案是：
一种高强度代铜材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)用电阻炉将石墨坩埚加热到700～740℃，向石墨坩埚中加入铝块，融化后在铝液表面撒上覆盖剂保护，然后按比例再加入锌制成锌铝混合熔融液，上述铝与锌的用量配比以100重量份计，其中铝为35～40重量份，锌为60～65重量份；在上述锌铝混合熔融液中分别加入质量分数为2.5～3％的铜、0.2～0.5％的稀土铈、0.1～0.15％的锆和0.5～0.8％的铋，并缓慢搅拌；
(2)接步骤(1)用石墨钟罩向石墨坩埚内压入质量分数为0.1～0.5％的镁，然后把质量分数为0.1～0.2％的稀土氧化物，与锶盐变质剂覆盖在熔融液表面，待完全熔化后在740℃的温度下保持10～20分钟，并进行适当地搅拌；再加入C2Cl6除气剂除气，静置一段时间，扒渣浇铸；
(3)将步骤(2)获得的合金液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却，通过金属模具浇注成φ16mm×200mm的合金试棒或通过连续铸造机拉铸形成棒材。
上述步骤还包括如下步骤：
(4)将步骤(3)获得的棒材锯切成代铜结构件所需规格的原材料。
上述步骤(1)中，上述铝与锌的用量配比中优选为铝38为重量份，锌为62重量份；加入质量分数优选为2.7％的铜，加入质量分数优选为0.3％的稀土铈，加入质量分数优选为0.12％的锆，加入质量分数优选为0.7％的铋；上述步骤(2)中，加入质量分数优选为0.2％的镁，加入质量分数优选为0.12％的稀土氧化物；上述步骤(3)中，通过连续铸造机拉铸形成直径为50mm～90mm的棒材。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明制取的高强度代铜材料，经常温力学性能测试，抗拉强度为378.9～604MPa，延伸率为0.6～4.8％，布氏硬度为147～153HB，维氏硬度为127～162HV。经高温力学性能测试，180℃时，抗拉强度为120～176MPa，，120℃时，抗拉强度为180～334MPa。经实践检验可完全代替铜质材料，用于制备铜制及铜合金结构件。
具体实施方式
参照试验例
一种锌铝合金的制备方法，用电阻炉将石墨坩埚加热到700℃，向石墨坩埚中加入铝块，融化后在铝液表面撒上覆盖剂保护，然后再加入锌制成锌铝混合熔融液，上述铝与锌的用量配比以100重量份计，其中铝为38重量份，锌为62重量份；在上述锌铝混合熔融液中分别加入质量分数为2.7％的铜并缓慢搅拌。接着用石墨钟罩向上述石墨坩埚内压入质量分数为0.2％的镁，与锶盐变质剂，待完全熔化后在740℃的温度下保持10分钟，并进行适当地搅拌；再压入C2Cl6除气剂，静置一段时间，扒渣浇铸获得合金液。然后将合金液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却，通过金属模具浇注成φ16mm×200mm的合金试棒或拉铸成直径为50mm、70mm或90mm等的棒材；再将棒材进行均匀化热处理，之后将棒材进行锯切及机械加工成所需要尺寸规格的型材，即试样1。
实施例1
一种高强度代铜材料的制备方法，用电阻炉将石墨坩埚加热到700℃，向石墨坩埚中加入铝块，融化后在铝液表面撒上覆盖剂保护，然后再加入锌制成锌铝熔融液，上述铝与锌的用量配比以100重量份计，其中铝为38重量份，锌为62重量份；在上述锌铝熔融液中分别加入质量分数为2.7％的铜、0.2％的稀土铈、0.075％的锆与0.4％的铋，并缓慢搅拌。接着用石墨钟罩向上述石墨坩埚中压入质量分数为0.2％的镁，并把0.1％的稀土氧化物，与锶盐变质剂覆盖在熔融液表面，待完全熔化后在740℃的温度下保持10分钟，并进行适当地搅拌；再压入C2Cl6除气剂除气，静置，扒渣浇铸获得合金液。然后将合金液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却，通过金属模具浇注成φ16mm×200mm的合金试棒或拉铸形成直径为50mm、70mm或90mm等的棒材；再将棒材进行均匀化热处理，之后将棒材进行锯切及机械加工成所需尺寸规格的型材，即试样2。
实施例2
一种高强度代铜材料的制备方法，用电阻炉将石墨坩埚加热到700℃，向石墨坩埚中加入铝块，融化后在铝液表面撒上覆盖剂保护，然后再加入锌制成锌铝熔融液，上述铝与锌的用量配比以100重量份计，其中铝为38重量份，锌为62重量份；在上述锌铝熔融液中分别加入质量分数为2.7％的铜、0.22％的稀土铈、0.12％的锆与0.63％的铋，并缓慢搅拌。接着用石墨钟罩向上述石墨坩埚中压入质量分数为0.2％的镁，并把0.1％的稀土氧化物，与锶盐变质剂覆盖在熔融液表面，待完全熔化后在740℃的温度下保持10分钟，并进行适当地搅拌；再压入C2Cl6除气剂除气，静置一段时间，扒渣浇铸获得合金液。然后将合金液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却，通过金属模具浇注成φ16mm×200mm的合金试棒或拉铸形成直径为50mm、70mm或90mm等的棒材；再将棒材进行均匀化热处理，之后将棒材进行锯切及机械加工成所需尺寸规格的型材，即试样3。
实施例3
一种高强度代铜材料的制备方法，用电阻炉将石墨坩埚加热到700℃，向石墨坩埚中加入铝块，融化后在铝液表面撒上覆盖剂保护，然后再加入锌制成锌铝熔融液，上述铝与锌的用量配比以100重量份计，其中铝为38重量份，锌为62重量份；在上述锌铝熔融液中分别加入质量分数为2.7％的铜、0.25％的稀土铈、0.12％的锆与0.7％的铋，并缓慢搅拌。接着用石墨钟罩向上述石墨坩埚中压入质量分数为0.2％的镁，并把质量分数为0.1％的稀土氧化物，与锶盐变质剂覆盖在熔融液表面，待完全熔化后在740℃的温度下保持10分钟，并进行适当地搅拌；再压入C2Cl6除气剂除气，静置一段时间，扒渣浇铸获得合金液。然后将获得的合金液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却，通过金属模具浇注成φ16mm×200mm的合金试棒或拉铸形成直径为50mm、70mm或90mm等的棒材；再将棒材进行均匀化热处理，之后将棒材进行锯切及机械加工成所需尺寸规格的型材，即试样4。
实施例4
一种高强度代铜材料的制备方法，用电阻炉将石墨坩埚加热到700℃，向石墨坩埚中加入铝块，融化后在铝液表面撒上覆盖剂保护，然后再加入锌制成锌铝熔融液，上述铝与锌的用量配比以100重量份计，其中铝为38重量份，锌为62重量份；在上述锌铝熔融液中分别加入质量分数为2.7％的铜、0.3％的稀土铈、0.12％的锆与0.7％的铋，并缓慢搅拌。接着用石墨钟罩向上述石墨坩埚中压入质量分数为0.2％的镁，并把质量分数为0.12％的稀土氧化物，与锶盐变质剂覆盖在熔融液表面，待完全熔化后在740℃的温度下保持20分钟，并进行适当地搅拌；再压入C2Cl6除气剂除气，静置一段时间，扒渣浇铸获得合金液。然后将合金液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却，通过金属模具浇注成φ16mm×200mm的合金试棒或拉铸形成直径为50mm、70mm或90mm等的棒材；再将棒材进行均匀化热处理，之后将棒材进行锯切及机械加工成所需尺寸规格的型材，试样5
实施例5
一种高强度代铜材料的制备方法，用电阻炉将石墨坩埚加热到700℃，向石墨坩埚中加入铝块，融化后在铝液表面撒上覆盖剂保护，然后再加入锌制成锌铝熔融液，上述铝与锌的用量配比以100重量份计，其中铝为38重量份，锌为62重量份；在上述锌铝熔融液中分别加入质量分数为2.7％的铜、0.32％的稀土铈、0.12％的锆与0.8％的铋，并缓慢搅拌。接着用石墨钟罩向上述石墨坩埚中压入质量分数为0.2％的镁，并把质量分数为0.1％的稀土氧化物，与锶盐变质剂覆盖在熔融液表面，待完全熔化后在740℃的温度下保持15分钟，并进行适当地搅拌；再压入C2Cl6除气剂除气，静置一段时间，扒渣浇铸获得合金液。然后将合金液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却，通过金属模具浇注成φ16mm×200mm的合金试棒或拉铸形成直径为50mm、70mm或90mm等的棒材；再将棒材进行均匀化热处理，之后将棒材进行锯切及机械加工成所需尺寸规格的型材，试样6
实施例6
一种高强度代铜材料的制备方法，用电阻炉将石墨坩埚加热到700℃，向石墨坩埚中加入铝块，融化后在铝液表面撒上覆盖剂保护，然后再加入锌制成锌铝熔融液，上述铝与锌的用量配比以100重量份计，其中铝为38重量份，锌为62重量份；在上述锌铝熔融液中分别加入质量分数为2.7％的铜、0.5％的稀土铈、0.15％的锆与0.8％的铋，并缓慢搅拌。接着用石墨钟罩向上述石墨坩埚中压入质量分数为0.2％的镁，并把质量分数为0.1％的稀土氧化物，与锶盐变质剂覆盖在熔融液表面，待完全熔化后在740℃的温度下保持15分钟，并进行适当地搅拌；再压入C2Cl6除气剂除气，静置一段时间，扒渣浇铸获得合金液。然后将合金液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却，通过金属模具浇注成φ16mm×200mm的合金试棒或拉铸形成直径为50mm、70mm或90mm等的棒材；再将棒材进行均匀化热处理，之后将棒材进行锯切及机械加工成所需尺寸规格的型材，试样7。
实施例7
一种高强度代铜材料的制备方法，用电阻炉将石墨坩埚加热到700℃，向石墨坩埚中加入铝块，融化后在铝液表面撒上覆盖剂保护，然后再加入锌制成锌铝熔融液，上述铝与锌的用量配比以100重量份计，其中铝为40重量份，锌为60重量份；在上述锌铝熔融液中分别加入质量分数为2.7％的铜、0.5％的稀土铈、0.12％的锆与0.8％的铋，并缓慢搅拌。接着用石墨钟罩向上述石墨坩埚中压入质量分数为0.5％的镁，并把质量分数为0.15％的稀土氧化物，与锶盐变质剂覆盖在熔融液表面，待完全熔化后在740℃的温度下保持15分钟，并进行适当地搅拌；再压入C2Cl6除气剂除气，静置一段时间，扒渣浇铸获得合金液。然后将合金液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却，通过金属模具浇注成φ16mm×200mm的合金试棒或拉铸形成直径为50mm、70mm或90mm等的棒材；再将棒材进行均匀化热处理，之后将棒材进行锯切及机械加工成所需尺寸规格的型材。
上述各实施例获取的锌铝合金型材可采用下述设备进行有关力学性能测试，并能据此得出相应结论。
WDW-100型电子拉伸试验机，HB-3000型硬度计，HVS-1000型硬度计。
下述表1为申请人对上述有关示例进行测试所获得的有关数据。
表1
锌铝合金力学性能对比
实施例8
一种高强度代铜材料的制备方法，用电阻炉将石墨坩埚加热到740℃，向石墨坩埚中加入铝块，融化后在铝液表面撒上覆盖剂保护，然后再加入锌制成锌铝熔融液，上述铝与锌的用量配比以100重量份计，其中铝为35重量份，锌为65重量份；在上述锌铝熔融液中分别加入质量分数为2.5％的铜、0.5％的稀土铈、0.15％的锆与0.5％的铋，并缓慢搅拌。接着用石墨钟罩向上述石墨坩埚中压入质量分数为0.1％的镁，并把质量分数为0.2％的稀土氧化物，与锶盐变质剂覆盖在熔融液表面，待完全熔化后在740℃的温度下保持15分钟，并进行适当地搅拌；再压入C2Cl6除气剂除气，静置一段时间，扒渣浇铸获得合金液。然后将合金液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却，通过金属模具浇注成φ16mm×200mm的合金试棒或拉铸形成直径为50mm、70mm或90mm等的棒材；再将棒材进行均匀化热处理，之后将棒材进行锯切及机械加工成所需尺寸规格的型材。
实施例9
一种高强度代铜材料的制备方法，用电阻炉将石墨坩埚加热到720℃，向石墨坩埚中加入铝块，融化后在铝液表面撒上覆盖剂保护，然后再加入锌制成锌铝熔融液，上述铝与锌的用量配比以100重量份计，其中铝为37重量份，锌为63重量份；在上述锌铝熔融液中分别加入质量分数为3％的铜、0.5％的稀土铈、0.1％的锆与0.5％的铋，并缓慢搅拌。接着用石墨钟罩向上述石墨坩埚中压入质量分数为0.1％的镁，并把质量分数为0.2％的稀土氧化物，与锶盐变质剂覆盖在熔融液表面，待完全熔化后在740℃的温度下保持15分钟，并进行适当地搅拌；再压入C2Cl6除气剂除气，静置一段时间，扒渣浇铸获得合金液。然后将合金液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却，通过金属模具浇注成φ16mm×200mm的合金试棒或拉铸形成直径为50mm、70mm或90mm等的棒材；再将棒材进行均匀化热处理，之后将棒材进行锯切及机械加工成所需尺寸规格的型材。
Claims (3)
1.一种高强度代铜材料的制备方法，特征在于其包括以下步骤：
(1)用电阻炉将石墨坩埚加热到700～740℃，向石墨坩埚中加入铝块，融化后在铝液表面撒上覆盖剂保护，然后按比例再加入锌制成锌铝混合熔融液，上述铝与锌的用量配比以100重量份计，其中铝为35～40重量份，锌为60～65重量份；在上述锌铝混合熔融液中分别加入质量分数为2.5～3％的铜、0.2～0.5％的稀土铈、0.1～0.15％的锆和0.5～0.8％的铋，并缓慢搅拌；
(2)接步骤(1)用石墨钟罩向石墨坩埚内压入质量分数为0.1～0.5％的镁，然后把质量分数为0.1～0.2％的稀土氧化物，与锶盐变质剂覆盖在熔融液表面，待完全熔化后在740℃的温度下保持10～20分钟，并进行适当地搅拌；再加入C2Cl6除气剂除气，静置一段时间，扒渣浇铸；
(3)将步骤(2)获得的合金液注入金属模具或连续铸造机型口，经冷凝器冷却，通过金属模具浇注成φ16mm×200mm的合金试棒或通过连续铸造机拉铸形成棒材；
上述合金试棒或棒材，经常温力学性能测试，抗拉强度为378.9～604MPa，延伸率为0.6～4.8％，布氏硬度为147～153HB，维氏硬度为127～162HV；经高温力学性能测试，180℃时，抗拉强度为120～176MPa，120℃时，抗拉强度为180～334MPa。
2.根据权利要求1所述的高强度代铜材料的制备方法，其特征在于：所述步骤还包括如下步骤：
(4)将步骤(3)获得的棒材锯切成代铜结构件所需规格的原材料。
3.根据权利要求1所述的高强度代铜材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铝为38重量份，锌为62重量份；加入质量分数2.7％的铜，加入质量分数0.3％的稀土铈，加入质量分数0.12％的锆，加入质量分数0.7％的铋；上述步骤(2)中，加入质量分数0.2％的镁，加入质量分数0.12％的稀土氧化物；上述步骤(3)中，通过连续铸造机拉铸形成直径为50mm～90mm的棒材。
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